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| 摩擦學(xué)--一門古老而又現(xiàn)代化的科學(xué)與技術(shù) |
摩擦學(xué)--一門古老而又現(xiàn)代化的科學(xué)與技術(shù)
神舟七號上的客人
2008年，舉世矚目的神舟七號飛船成功遨游太空。9月28日，航天英雄翟志剛完成了太空行走的壯舉。他高舉五星紅旗向全世界人民致以問候，然后從舟舷上摘下一個特制樣品盒，返回艙內(nèi)。這個預(yù)定的太空動作實際上是"神舟飛船應(yīng)用系統(tǒng)固體潤滑材料太空暴露試驗"的關(guān)鍵一步，而樣品盒里裝的則是中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點試驗室研制的高可靠性、長壽命的空間固體潤滑材料。
眾所周知，在彼此接觸的兩個物體發(fā)生相對運動或存在相對運動趨勢時，其接觸表面會產(chǎn)生與其運動方向相反的摩擦阻力；同時在運動中會發(fā)生我們稱之為機械磨損的材料脫落的自然現(xiàn)象。為了減少因摩擦阻力造成的能量損失和因磨損不可避免的材料損失，人們在相對運動的兩個表面間加入了以流體和半流體物質(zhì)為主的介質(zhì)，并取得成效。這種旨在降低摩擦、減少磨損的措施，我們稱之為潤滑；而相應(yīng)的功能介質(zhì)，我們稱之為潤滑劑。比如我們熟知的潤滑油和潤滑脂。以固態(tài)物質(zhì)為潤滑劑的固體潤滑工程則是完全不同于傳統(tǒng)流體潤滑機理的更為現(xiàn)代的潤滑技術(shù)。神舟七號上的試驗樣品便是為航天工程量身打造的固體潤滑劑。
從鉆木取火到航空航天
實際上，我們的老祖宗早已發(fā)現(xiàn)自然界的摩擦磨損現(xiàn)象和潤滑方法，并在生產(chǎn)和生活中加以研究和利用。兩萬多年前，中國柳江人、資陽人、河套人和周口店的山頂洞人就已經(jīng)掌握摩擦生熱、磨削加工的原理，并用來鉆木取火和磨制骨頭和鹿角工具。在公元前約2400年的古埃及薩卡拉墓的石浮雕上，記錄著人們在搬運大型石雕像時往底板下添加潤滑材料的情景。我國周代中期的《詩經(jīng)》中有過"載脂載轄、還車言邁"的詩句。意思是說，在車軸上涂上油指膏、插好軸頭的銷子，便可順利驅(qū)車遙行。這不就是原始的潤滑工程嗎。而北京紫金城保和殿后面那塊長16.57米、寬3米、重達250噸的丹陛石則是選在冬季從京郊房山大石窩每隔一里地挖井汲水、潑成冰道以減少摩擦力而拉運來的。中國人民的聰明才智受到每一位來故宮游覽的世界各地游客的交口稱贊。幾千年過去了，如今的人類已走向太空。但研究、利用摩擦磨損現(xiàn)象及潤滑方法的科技活動仍在延續(xù)。神舟七號上搭載的樣品就是滿足超低溫、超高溫、超真空、微重力、強輻射、高速度、高載荷等航空航天極限條件下使用的固體潤滑材料。從遠古燧人氏的人工取火到今天航天人的太空試驗，人類文明史推動和成就著一門古老而又現(xiàn)代的科學(xué)與技術(shù)--摩擦學(xué)。
"摩擦學(xué)"的誕生
摩擦學(xué)（Tribology）這個名詞問世于20世紀(jì)60年代。1964年12月22日，H.P.喬斯特博士受英國教育與科學(xué)國務(wù)大臣伯頓勛爵的委托組成了工作組，調(diào)查英國潤滑工程教育和研究的現(xiàn)狀。經(jīng)過11個月的工作，完成了著名的喬斯特報告并于1966年2月公開發(fā)表。報告指出，如果重視和發(fā)展?jié)櫥夹g(shù)，全英國每年僅在工業(yè)上便可節(jié)約5.5億英磅。為了改變"潤滑"一詞所帶來的認識局限性，報告建議用"摩擦學(xué)"一詞來覆蓋有關(guān)摩擦、磨損及潤滑各自所有內(nèi)涵和它們之間的有機聯(lián)系。實際上，從19世紀(jì)80年代起，O.雷諾、H.赫茲等科學(xué)家分別在摩擦磨損及潤滑領(lǐng)域做出了許多經(jīng)典的研究工作。而摩擦學(xué)這個術(shù)語不但終于統(tǒng)一了這個領(lǐng)域，更是標(biāo)志著人類對客看世界的認識出現(xiàn)了一個具有里程碑意義的新飛躍。H.P.喬斯特博士在報告中是這樣定義摩擦學(xué)的：摩擦學(xué)是研究作相對運動的相互作用表面及其有關(guān)實踐的科學(xué)與技術(shù)。這個定義既表明了從此要用系統(tǒng)工程的理念而不是分立的方法研究摩擦磨損潤滑問題；同時它又有針對性地強調(diào)了這門科學(xué)具有鮮明的實踐性和應(yīng)用性。
"摩擦學(xué)設(shè)計"與高速鐵路
的確如此，摩擦學(xué)的研究和應(yīng)用深滲入滲出到我們生產(chǎn)、生活的方方面面。在新型的機械裝置研發(fā)過程中，摩擦學(xué)摒棄了傳統(tǒng)的分立設(shè)計機械零部件的方法，引滲透了"摩擦學(xué)設(shè)計"的理念，在對諸如齒輪、軸承等進行產(chǎn)品設(shè)計時，將其材料、尺寸、耦合件、潤滑、工況、環(huán)境等作為一個系統(tǒng)加以考慮，并建立動態(tài)的應(yīng)用反饋體系不斷修正優(yōu)化。例如大家熟知的汽車是量大面廣的能量形式轉(zhuǎn)化與利用系統(tǒng)。其中，發(fā)動機和傳動裝置的機械摩擦損耗占發(fā)動機總能耗的12。采用摩擦學(xué)設(shè)計方法，使用低揮發(fā)性、具有良好氧化安定性、抗氧化性的低粘度潤滑油可以節(jié)約燃料0.6-5.5。近年來發(fā)展的納米熱噴涂優(yōu)化零部件表面性能的工藝、納米和亞微米活化材料修復(fù)運行中摩擦副表面的技術(shù)等，都可以大大延長零部件的使用壽命。美國阿貢實驗室研究出具有超滑性能和高耐磨性的表面膜。摩擦系數(shù)僅為0.001-0.003，是常規(guī)表面的1/10；其磨損率僅為10-10mm3/Nm。幾乎實現(xiàn)零摩擦和零磨損，節(jié)能節(jié)材自有前景。
2008年4月18日，總經(jīng)理鄭重宣布京滬高速客運專線正式開工，并親自為鐵路奠基。到2010年，我國第一條速度達到350km/h的客運專線將交付使用。而速度為200km/h以上的動車組已經(jīng)馳騁在提速改造后的各鐵路既有干線上。在這些達到世界先入水平的成就中，也包含著許多摩擦學(xué)的先入理論與技術(shù)的應(yīng)用。例如電力機車的受電弓和接觸網(wǎng)、高速旋轉(zhuǎn)的車輪和鋼軌、高速運行車輛的制動閘瓦和閘片等這些摩擦副的材料、形狀、配伍、環(huán)境和動態(tài)特點性的研究及相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計與制造。這些摩擦學(xué)問題，鮮為旅客所知，卻維系著高鐵運輸?shù)恼w質(zhì)量，即它的安全、高效與舒適。其中，輪軌關(guān)系是涉及車輛動力學(xué)、摩擦學(xué)的難題，解決不好會發(fā)生鋼軌或輪緣斷裂、列車脫軌甚至顛覆而最終車毀人亡的重大事故。1998年，德國從漢堡開往慕尼黑的著名城際高速列車（ICE）脫軌，造成101人死亡、84人重傷，經(jīng)濟損失約2億馬克。調(diào)查表明，事故緣于輪轂的疲勞裂紋。中國、美國、日本、英國的學(xué)者和科學(xué)家針對輪軌關(guān)系作了大量摩擦學(xué)理論的研究和數(shù)值仿真試驗�？蒲泻凸I(yè)部門對輪軌的材料和接觸型面作了摩擦學(xué)優(yōu)化匹配設(shè)計�，F(xiàn)在，所有高速鐵路都鋪設(shè)著我國鋼鐵冶金企業(yè)自行制造的國產(chǎn)專用高速鋼軌。
"摩擦學(xué)系統(tǒng)監(jiān)測"與海上大閱兵
除了"摩擦學(xué)設(shè)計"，摩擦學(xué)還有著另外一個年輕的分支，稱"摩擦學(xué)系統(tǒng)監(jiān)測"。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，許多大型機械設(shè)備要對其進行工作狀態(tài)下的監(jiān)測，以保障安全運行。特別是在流程工業(yè)，臨時故障停機維修會造成巨大的損失。例如，寶山鋼鐵公司煉鋼爐的鼓風(fēng)機要滿足五年連續(xù)正常運轉(zhuǎn)的要求。有調(diào)查表明，約有80的機器零部件都是因為磨損而失效；且有50以上的機械裝備的惡性事故都是起因于潤滑失效和過度磨損。因此，采集和利用機械設(shè)備中各種摩擦副在運行中產(chǎn)生的各種輸出信息，對其進行運用中的摩擦學(xué)狀態(tài)監(jiān)測，診斷機械的"健康"水平，預(yù)告機械的"疾病"，采取提前預(yù)防措施，保障其正常工作，將具有重大意義。這就是"摩擦學(xué)系統(tǒng)監(jiān)測"。監(jiān)測的方法很多，其中包括大家熟知的對機械工作參數(shù)（如溫度、壓力等）的監(jiān)測、振動監(jiān)測、噪聲監(jiān)測、紅外監(jiān)測等等。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了新的監(jiān)測方法，稱之為"油液監(jiān)測"。就像患者進醫(yī)院觀病常常要先驗血一樣，油液監(jiān)測是通過機械的血液即潤滑油或液壓油等工作介質(zhì)來分析機械狀態(tài)和診斷機械的"病情"。人的血液攜帶著的有關(guān)人體健康信息。同樣，機械的潤滑油和液體工作介質(zhì)也攜帶著大量有關(guān)機械摩擦副的摩擦、磨損、腐蝕、失效、污染等狀態(tài)信息。只要在機械運轉(zhuǎn)的同時定期取出少量的油液分析樣品，應(yīng)用各種分析手段，就可以在不拆機的情況下了解機械摩擦副的狀態(tài)，預(yù)告機械磨損故障。
油液監(jiān)測所使用的分析手段主要包括直讀發(fā)射光譜技術(shù)、鐵譜技術(shù)、紅外光譜技術(shù)、顆粒計數(shù)技術(shù)、常規(guī)理化分析技術(shù)等等。依靠這些技術(shù)，我們甚至可以從幾個毫升的潤滑油里便可得知一個發(fā)動機里的那一對摩擦副出現(xiàn)異常磨損了，又是什么類型的磨損；它的潤滑油的性能是否還正常，或是否已經(jīng)開始衰變而應(yīng)該換油了；整個發(fā)動機是否還可以繼續(xù)工作，或是否應(yīng)該采取必要的防止停機故障的發(fā)生；等等。而這一切稱之為基于油液監(jiān)測技術(shù)的機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，都可以在機械設(shè)備運行過程中同時入行，而不必停機解體檢查。全國鐵路、交通、冶金、石化乃至軍事部門從20世紀(jì)80年代起在各自領(lǐng)域應(yīng)用摩擦學(xué)系統(tǒng)監(jiān)測的油液分析技術(shù)，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟和社會效益。我國鐵路領(lǐng)先在內(nèi)燃機車柴油的運用和檢修上全面推廣應(yīng)用了以光譜、鐵譜、理化分析和計算機技術(shù)為平臺的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，取得顯著的安全、提效、節(jié)支效益。20世紀(jì)末，油液監(jiān)測也用上了對兩臺單價數(shù)億人民幣的德國入口全面斷面硬巖掘入機的在線監(jiān)測，在鐵路新線建設(shè)領(lǐng)域中開始發(fā)揮作用。為維護這兩臺關(guān)鍵設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)、保障西康線秦嶺隧道的按時貫通，光譜、鐵譜技術(shù)立下汗馬功勞。2002年5月15日到9月23日，中國人民海軍的113新型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦"青島"號和575大型綜合補給艦"太倉"號，橫跨太平洋、印度洋和大西洋，穿越15個海和海灣，通過14個海峽和蘇伊士、巴拿馬運河，訪問5大洲10個國家和地區(qū)，完成了人民海軍的首次環(huán)球航行，在世界航海史上寫下了光輝的篇章。在歷時4個月、3.3萬海里航行的過程中，采用了以光譜、鐵譜為主要手段的油液監(jiān)測技術(shù)，對艦艇動力心臟即柴油機進行工況監(jiān)測，及時實施狀態(tài)維護，使柴油機不但未出現(xiàn)任何故障，而且高效運轉(zhuǎn)，保證了軍艦環(huán)球航行的順利進行。參加今天4月23日紀(jì)念中國人民海軍成立60周年海上大閱兵的112新型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦"哈爾濱"號，也是在該航的遙航出訪任務(wù)中采取了油液監(jiān)測技術(shù)，保障軍般發(fā)動機的無故障運行。艦隊所到之處，揚我國威、軍威。這其中，摩擦學(xué)的油液監(jiān)測技術(shù)功不可沒。它被我國海軍的高層領(lǐng)導(dǎo)譽之為人民海軍現(xiàn)代化建設(shè)的"一朵奇葩"。
"納米摩擦學(xué)"與計算機
隨著科技的發(fā)展，在諸如信息、生物、醫(yī)學(xué)、航空、航天等領(lǐng)域，對性能完善的微型器件和裝置的需求越來越高。我們稱制造特征尺寸在納米級、結(jié)構(gòu)尺寸在微米級的微型器件的領(lǐng)域為"微納制造"。當(dāng)器件的尺度從毫米級減少至微米級時，面積減少一百萬倍，體積減少十億萬倍。這樣，正比于面積的摩擦力等阻力，相對正比于體積的電磁力等作用力要增大數(shù)千倍。同時，在物體相對運動的間隙接近分子尺度時，我們不得不考慮分子物理學(xué)的效應(yīng)。這樣，"微納制造"中摩擦副的摩擦、磨損與潤滑問題催生了"納米摩擦學(xué)"。比如，在我們最熟悉的計算機中，硬盤信息的讀寫是由磁頭和磁盤間的高速相對運動所實現(xiàn)的。硬盤的尺寸由20世紀(jì)80年代的14英寸縮小到今天的0.85英寸；而存儲量則由1.89G增加到了320G，還在向1000G發(fā)展。磁頭的飛行高度隨磁盤存儲密度的增加而大幅下降，而飛行的控制精度又要不斷提高。2004年，磁頭飛行的高度已降到8納米，目標(biāo)是3納米。這是個間隙接近十分之一分子自由運動行程的稀薄氣體潤滑問題。邊界條件自然完全不同于宏觀的機械摩擦副。國內(nèi)外的科技專家正在從建立新的潤滑理論和開展科學(xué)實驗入手解決納米間隙的摩擦學(xué)問題。
"生物摩擦學(xué)"與醫(yī)療和仿生工程
近十余年，摩擦學(xué)又走進了生物工程領(lǐng)域，派生出所謂"生物摩擦學(xué)"。它包括人體摩擦學(xué)和仿生摩擦學(xué)。最典型的人體摩擦學(xué)是人造骨關(guān)節(jié)的例子。實際上，人體摩擦學(xué)不但涉及到骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)，還已涉獵到口腔系統(tǒng)的牙齒、心血管系統(tǒng)的紅血球與血管、眼系統(tǒng)的眼球與眼瞼、皮膚系統(tǒng)的皮膚與毛發(fā)等9個方面的問題。例如，人工心臟瓣膜置換術(shù)已有40年的歷史，是治療占心臟病三分之一至二分之一比例的心臟薄膜病患者的有效手段。人工瓣膜要在血液流動的特殊環(huán)境下不間斷地作機械往復(fù)運動，不但對其材料強度、耐磨性、耐腐蝕性有極高的要求，而且要有很好的血液相容性。因此，科學(xué)家陸續(xù)開發(fā)了金屬的、有機的、陶瓷的乃至生物的人工瓣膜。至今，尋求機械性能更為穩(wěn)定、耐磨壽命更長、血溶性更好的人工心臟瓣膜的研發(fā)工作一直沒有停止。至于更為直觀的人工骨關(guān)節(jié)的摩擦、磨損以及人工骨液潤滑的問題，我們自然會聯(lián)想到工業(yè)機械的軸承和潤滑油，更感有著異曲同工之妙。所以說，摩擦學(xué)與生命質(zhì)量也有著不解之緣。
人們發(fā)現(xiàn)，自然界的生物和動物有著天然的摩擦學(xué)生存適應(yīng)。例如，德國科學(xué)家在提高計算機硬盤表面耐磨性的研究中，發(fā)現(xiàn)鯊魚背部的表面比鋼材更耐砂粒的噴射。因此，仿生的硬盤表面就成為研究方向之一。這只是仿生摩擦學(xué)簡單一例。受生物、動物乃至人類有"傷病自愈"現(xiàn)象的啟發(fā)，科學(xué)家也提出無生命物質(zhì)在一定外界條件下也可以"自愈"的新概念。摩擦學(xué)工作者自21世紀(jì)初開始研究在機械摩擦副之間添加減摩修復(fù)物質(zhì)以減少摩擦、"愈合"表面磨損"傷痕"、延長零部件壽命的技術(shù)。我國鐵路領(lǐng)全國之首，在內(nèi)燃機車柴油機上開展了數(shù)年嚴(yán)格的減摩修復(fù)科學(xué)實驗，取得成功。試驗機車柴油機跨越3個中修期，連續(xù)安全運行了115萬公里。氣缸套經(jīng)歷正常磨損、磨損率降低和表面自修復(fù)三個階段，恢復(fù)到新車出廠尺寸，壽命延長了3倍有余。同時，燃油節(jié)約率也達到2.5，顯示出良好的節(jié)能、節(jié)材經(jīng)濟前景。
大有作為的摩擦學(xué)
摩擦學(xué)覆蓋著人類生產(chǎn)、生活活動的每一個角落，無所不及。發(fā)展好、應(yīng)用好這門科學(xué)技術(shù)有著重大的經(jīng)濟和社會意義。中國工程院2006年至2007年開展《摩擦學(xué)科學(xué)及工程應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究》。研究報告指出：摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源。在美、英、德等工業(yè)國家，每年因摩擦、磨損造成的損失約占其國民生產(chǎn)總值（GNP）的2-7，而在工業(yè)中應(yīng)用摩擦學(xué)知識可節(jié)約的費用約占GNP的1.0-1.4。我國2006年摩擦磨損的損失約9500億元；我國工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用摩擦學(xué)知識可節(jié)約的潛力估計為3270億元；占2006年國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的1.55此不難看出，摩擦學(xué)這門古老而又現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)在建設(shè)節(jié)約能源資源、改善生態(tài)環(huán)境、消除安全隱患、提高生命質(zhì)量的和諧社會過程中，將延續(xù)它永不衰竭的生命力，不斷攀登新的高峰。
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| 2012/5/21 |
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